FR3114375A1 - Bruleur, notamment pour section de prechauffage a flamme directe de ligne continue de traitement d’une bande metallique - Google Patents

Abstract

BRULEUR, NOTAMMENT POUR SECTIONS DE PRECHAUFFAGE A FLAMME DIRECTE DE LIGNE CONTINUE DE TRAITEMENT D’UNE BANDE METALLIQUE Brûleur (15) à combustible gazeux apte à fonctionner en mode dit « sans flamme » présentant une direction axiale (A) au croisement de deux plans perpendiculaires, et comprenant un diffuseur (22) traversé par des conduits (19) d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant (16, 17), lesdits conduits d’injection de comburant (16, 17) débouchant du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible (19) pour un fonctionnement en mode sans flamme comprenant des conduits d’injection de comburant (17) qui débouchent du diffuseur sur un premier plan qui sont divergents et des conduits d’injection de comburant (16) qui débouchent du diffuseur sur un second plan qui sont convergents vers l’axe du brûleur. Figure pour l’abrégé : 4

Description

BRULEUR, NOTAMMENT POUR SECTION DE PRECHAUFFAGE A FLAMME DIRECTE DE LIGNE CONTINUE DE TRAITEMENT D’UNE BANDE METALLIQUE

Désignation du domaine technique concerné

L’invention se rapporte aux brûleurs industriels, notamment destinés aux lignes continues horizontales ou verticales de recuit ou de galvanisation de bandes métalliques, et plus particulièrement aux sections verticales de préchauffage à flamme directe de ces lignes, parfois appelées « sections NOF », NOF étant l’abréviation de l’anglais « Non Oxydizing Furnace », ou Four non oxydant, ou « section DFF », DFF étant l’abréviation de l’anglais « Direct Firing Furnace », ou Four à feu direct.

L’invention cible principalement le domaine de la combustion et englobe à la fois les aspects thermiques, la chimie des réactifs, la métallurgie et les conséquences en termes de rejets atmosphériques.

L’invention vise à contenir un type de combustion sans flamme, aussi appelée oxydation sans flamme, en anglaisflamless, à faible émission d’oxydes d’azote dans un volume confiné et restreint, situé entre la bande et le réfractaire du four en évitant ou en contrôlant l’interaction entre les réactifs de combustion et la surface de la bande.

L’invention vise à ce que la section de préchauffage permette de réaliser un préchauffage efficace de la bande avec une bonne homogénéité de température et d’état de surface sur la largeur de bande. Elle vise également à éviter ou à contrôler l’interaction entre les réactifs de combustion et la surface de la bande, tout en limitant les rejets atmosphériques.

Problèmes techniques auxquels répond l’invention

Une section de préchauffage à flamme directe est disposée généralement à l’entrée d’un four d’une ligne de galvanisation à chaud au trempé ou d’une ligne de recuit.

En se reportant au schéma de la figure 1 des dessins annexés, on peut voir schématiquement et partiellement représentée, une ligne de galvanisation à four vertical. Depuis l’entrée de la ligne, selon le sens de déplacement de la bande, nous trouvons une section 1 de préchauffage à flamme directe, une section 2 de chauffage à tubes radiants, une section 3 de maintien à tubes radiants, une section 4 de refroidissement lent, une section 5 de refroidissement rapide, une section 6 de vieillissement, une section 7 de sortie de four et une section 8 de revêtement.

La section de préchauffage à flamme directe a les fonctionnalités principales suivantes :

. Chauffer la bande de la température ambiante à une température souhaitée, par exemple variant de 500 °C à 750 °C pour de l’acier, selon sa nuance.

. Eliminer l'huile introduite par le procédé de laminage à froid et les fines d'oxyde formées pendant ou après le laminage à froid présentes sur la bande.

. Préparer la surface de la bande pour le procédé de revêtement en éliminant les oxydes présents en surface.

La section de préchauffage à flamme directe comprend deux zones, une zone active où sont installés les brûleurs qui permettent de chauffer la bande à la température définie par le cycle thermique, et une zone récupérative où la bande est préchauffée à une température inférieure à 250 °C pour éviter son oxydation, et ceci en épuisant la chaleur contenue dans les fumées provenant de la zone active.

En se reportant au schéma de la figure 2 des dessins annexés, on peut voir un agrandissement de la section de préchauffage de la figure 1. Dans le sens de déplacement de la bande, elle comprend un sas 10 d’entrée assurant une séparation d’atmosphères entre l’air ambiant et l’atmosphère présente à l’intérieur du four. Il est suivi par une zone 11 verticale récupérative dans laquelle la bande est préchauffée par les fumées de combustion.

Dans cette, zone comme dans l’ensemble de la section de préchauffage, les fumées circulent en sens inverse de la bande. Au voisinage de l’entrée de la zone récupérative, à proximité du sas 10 de séparation d’atmosphères, une sortie 12 permet de conduire les fumées vers une zone complémentaire de récupération d’énergie non représentée, extérieure à la section de préchauffage, au moyen d’un exhausteur également non représenté. Les fumées sortent de la section de préchauffage à une température généralement comprise entre 700 °C et 900 °C. La zone complémentaire de récupération d’énergie permet d’épuiser davantage les fumées en abaissant encore leur température. Elle peut comprendre un échangeur de chaleur permettant de transférer de l’énergie calorifique des fumées vers un autre fluide, par exemple de l’air utilisé pour alimenter les brûleurs de la section de préchauffage et limiter ainsi la consommation en combustible.

La section de préchauffage à flamme directe peut être horizontale ou verticale, selon que la bande circule dans celle-ci horizontalement ou verticalement. Sur une ligne verticale, la section de préchauffage est toujours verticale. Sur une ligne horizontale, la section de préchauffage est généralement horizontale mais elle peut également être verticale, notamment pour limiter la longueur de la ligne.

Les brûleurs à flamme directe de la zone active doivent assurer le préchauffage de la bande avec une bonne homogénéité de température sur la largeur de la bande. Ils doivent avoir une faible consommation énergétique et émettre peu de rejets polluants, notamment en oxydes d’azote (NOx).

Les brûleurs doivent également pouvoir fonctionner en mode réducteur, c’est-à-dire en étant sous-alimentés en comburant, afin de réduire au maximum la présence d’oxygène à proximité de la bande et éviter ainsi son oxydation. S’il est admis qu’un faible taux d’oxygène proche de la bande de quelques centaines de ppm est admissible, il convient malgré tout de chercher à s’approcher du zéro oxygène à proximité de la bande.

Avec l’émergence des aciers à haute résistance mécanique, la teneur en éléments d’alliage tels que Mn, Si et Al a augmenté. Ces éléments qui sont avides d’oxygène s’oxydent facilement. Malgré une atmosphère globalement réductrice dans la section de préchauffage et dans les sections situées en aval, comme les sections à tubes radiants de chauffage et de maintien, des oxydes de ces éléments d’alliage se forment inévitablement dans ces sections en conditions normales de fonctionnement. Dans une ligne de galvanisation, si ces oxydes sont présents à la surface de la bande avant son immersion dans le bain de zinc, ils conduisent à des défauts de revêtement. Pour remédier à ce problème, il est connu de réaliser une oxydation sélective, ou préoxydation, de ces éléments d’alliage dans la section de préchauffage de manière à éviter leur diffusion à la surface de la bande. Les oxydes formés sont ensuite réduits dans les sections à tubes radiants. Cela nécessite des conditions légèrement oxydantes en sortie de la section de préchauffage, avec un contrôle fin du rapport air/gaz des brûleurs. Il est également nécessaire d’avoir une température homogène (+/-10 °C) sur la largeur de bande afin que la nature et l’épaisseur de la couche d’oxydes soit constante sur la largeur de la bande.

Par ailleurs, pour limiter les coûts d’investissement et de maintenance, le nombre de brûleurs et d’organes de contrôle et de régulation de ceux-ci doit être réduit.

Les solutions existantes ne permettent pas de combiner toutes ces exigences. L’invention permet de pallier à ces problèmes.

Arrière-plan technique

Les brûleurs qui équipent les sections de préchauffage à flamme directe sont regroupés en deux grandes catégories, les brûleurs dits frontaux et les brûleurs dits latéraux selon leur position par rapport à la bande.

Les brûleurs dits frontaux sont placés en vis-à-vis de la bande. Deux types de brûleurs frontaux se distinguent : les brûleurs frontaux avec mélange au nez et les brûleurs frontaux à prémélange. Les brûleurs frontaux développent une flamme plate courte en spirale de manière à éviter d’impacter et d’oxyder la bande. Cette technologie est la plus répandue, notamment car elle permet de moduler les profils de température sur la largeur de la bande en ajustant la répartition de chauffe entre les brûleurs. Cependant, cette technologie est coûteuse en investissement et en maintenance car elle nécessite un nombre important de brûleurs pour couvrir toute la largeur de la bande (entre trois brûleurs et neuf brûleurs selon la largeur de bande et la puissance unitaire des brûleurs) et un système de régulation complexe d’ajustement des puissances et du rapport air/gaz par brûleur. Ces brûleurs fonctionnent à air chaud lorsqu’il s’agit de brûleurs frontaux avec mélange au nez (typiquement air préchauffé à 550 °C) ou à air froid ou faiblement préchauffé (température inférieure à 300 °C) lorsqu’il s’agit de brûleurs frontaux à prémélange. Généralement, avec des brûleurs frontaux, au moins une zone de la section de préchauffage est équipée de brûleurs à prémélange ce qui amène une surconsommation de combustible par rapport aux brûleurs à air chaud.

Les brûleurs dits latéraux sont placés sur le côté de la bande. Ils développent une flamme dans la largeur du four, parallèlement à la bande. Cette technologie est plus simple et plus économique car elle ne nécessite qu’un seul brûleur par rangée pour couvrir toute la largeur de la bande sur une face. De plus, le mode de régulation des rapports air/gaz se pratique par section, pour un ensemble de brûleurs. Ces brûleurs fonctionnent en air chaud (habituellement 500 °C) avec des économies de combustible à la clé. En revanche, ces brûleurs selon l’état de la technique présentent des niveaux d’émission de NOx assez élevés, typiquement de 250 mg/Nm3 à 3 % d’oxygène contre 120 mg/Nm3 pour les brûleurs frontaux. De plus, l’hétérogénéité de température de leur flamme sur la largeur de la section de préchauffage est subie par le process et doit être corrigée par un autre moyen que le brûleur en lui-même. Ainsi, la différence de température sur la largeur de la bande peut varier entre +/-20 °C dans des conditions modérées de production et de température en sortie de section de préchauffage (600 °C), à +/- 50 °C pour des température de sortie avoisinant les 720 °C.

Pour tenter de pallier à ce problème, il existe des sections de préchauffage hybrides combinant les deux catégories de brûleurs. Dans la dernière zone, les brûleurs latéraux sont remplacés par des brûleurs frontaux à prémélange à air froid. Cette solution permet de corriger le problème de l’hétérogénéité de température en sortie de section de préchauffage mais elle présente les mêmes autres inconvénients cités précédemment.

Par ailleurs, ces brûleurs frontaux ou latéraux selon l’état de la technique reprennent un design classique. La combustion entre le gaz et l’air s’initie dans un tunnel de combustion et se développe dans le four selon une distribution thermique et chimique plus ou moins difficilement maitrisable sur la largeur de la bande. La demanderesse n’a pas connaissance de brûleur fonctionnant en mode sans flamme dans les sections de préchauffage des lignes continues. Les caractéristiques du mode de combustion sans flamme, résultant d’une combustion diffuse, ont largement été étudiées et les limites sont assez bien cernées. En milieu confiné en revanche, ce mode de combustion s’applique difficilement car il nécessite des volumes de chambre de combustion en adéquation avec la grande quantité de fumées recirculée nécessaire pour obtenir une combustion diffuse.

En se reportant au schéma de la figure 5 des dessins annexés, on peut voir schématiquement représentée la forme frontale de la flamme avec un brûleur latéral fonctionnant en mode flamme selon l’état de la technique. La flamme se développe entre la bande B et la paroi 23 en réfractaire de la chambre de combustion. La flamme a une section 24 circulaire qui occupe une partie seulement du volume entre la bande et la paroi du four. Cette forme de flamme présente l’avantage de limiter le risque de présence d’oxygène à la surface de la bande et évite la surchauffe des réfractaires car il n’y pas de contact de la flamme avec la paroi du four. Cependant, ce type de flamme présente les inconvénients cités précédemment, en termes d’homogénéité de température et d’émission de NOx. Avec une combustion sans flamme, la combustion est plus homogène mais elle s’étend en volume. La figure 6 est similaire à la figure 5 mais pour un brûleur latéral fonctionnant en mode sans flamme selon l’état de la technique. La section de la flamme est toujours sensiblement circulaire mais elle occupe le volume disponible entre la bande et la paroi du four. Cette configuration est avantageuse en émission de NOx mais elle entraine une probabilité forte de présence d’oxygène au voisinage de la bande, d’où un risque d’oxydation non contrôlée et, de l’autre côté de la flamme, une température de paroi plus importante pénalisante pour la tenue du réfractaire.

Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un brûleur à combustible gazeux apte à fonctionner en mode dit « sans flamme », présentant une direction axiale au croisement de deux plans perpendiculaires, et comprenant un diffuseur traversé par des conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant, lesdits conduits d’injection de comburant débouchant du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme, caractérisé en ce qu’il comprend des conduits d’injection de comburant qui débouchent du diffuseur sur un premier plan qui sont divergents et des conduits d’injection de comburant qui débouchent du diffuseur sur un second plan qui sont convergents vers l’axe du brûleur.

La zone active de la section de préchauffage selon l’invention est équipée de brûleurs latéraux à flamme directe aptes à fonctionner en mode sans flamme lorsque la température interne de la zone active au voisinage des brûleurs est supérieure à 850 °C.

Ce type de combustion est très peu émissif dans le domaine utraviolet. La flamme est quasiment invisible à l’œil nu, d’où l’expression de mode sans flamme. Les limites de la flamme sont moins bien définies car les produits de combustion sont très homogènes et se mélange aux fumées du four.

En mode sans flamme, la combustion est fortement diluée dans plusieurs volumes de fumées. Ce mode de fonctionnement est accessible soit en recirculant des fumées localement au sein même de la chambre de combustion soit en reprenant une partie des fumées par ailleurs, par exemple directement à la cheminée, et en les réinjectant dans le brûleur. Cette dernière possibilité est cependant plus complexe à mettre en œuvre. Pour obtenir une recirculation suffisante localement au sein même de la chambre de combustion pour fonctionner en mode sans flamme sans faire appel à une recirculation externe, il est nécessaire de disposer d’une injection d’air et de gaz à hautes vitesses dans la chambre de combustion. La géométrie du brûleur et celle de la chambre de combustion créent des recirculations des produits de combustion vers le brûleur, diluant ainsi le comburant et le combustible avec les produits de combustion avant la réaction.

En fonctionnement normal, c’est-à-dire en dehors des phases de montée et descente en température du four, lors des arrêts et redémarrages de la ligne, la température interne de la zone active est supérieure à 850 °C. Les brûleurs fonctionnement donc majoritairement en mode sans flamme.

L’écart de température sur la largeur de bande est ainsi limité à environ +/- 10 °C en sortie de la section de préchauffage ce qui permet d’obtenir des propriétés mécaniques et une couche d’oxydes homogène sur la largeur de la bande, dans le cas d’une oxydation sélective.

Le fonctionnement en mode sans flamme permet de limiter la température atteinte par les produits de combustion comparer à un mode de combustion avec flamme. Ainsi, en fonctionnement avec un facteur d’air de 0.95, le brûleur selon l’invention en fonctionnement en mode sans flamme permet d’abaisser le point chaud dans la flamme à environ 1450 °C soit à peine 100 °C au-dessus de la température des réfractaires. Pour comparaison, pour les mêmes conditions de fonctionnement, les brûleurs frontaux selon l’état de la technique, ont des températures de flamme dépassant 1700 °C.

La formation des NOx étant directement liée à la température de flamme, le brûleur selon l’invention a un taux d’émission de NOx sensiblement plus faible à celui des brûleurs selon l’état de la technique lors d’un fonctionnement en mode sans flamme. Par ailleurs, les analyses d’espèces chimiques au sein de la flamme montrent une meilleure homogénéité par rapport à une combustion classique. Le faible taux d’oxygène local participe également à la baisse du niveau de NOx.

Le passage en mode sans flamme à partir d’une température de 850 °C permet de s’assurer de la bonne combustion dans le volume de la chambre, ce niveau de température permettant une auto inflammation du combustible. En dessous de cette température, le brûleur fonctionne en mode flamme avec un réglage de combustion légèrement oxydant.

Le brûleur selon l’invention est apte à fonctionner avec de l’air de combustion préchauffé jusqu’à 600 °C sans impact important sur les émissions de NOx. Les récupérateurs d’énergie ont désormais une efficacité qui permet d’atteindre des températures d’air préchauffé proche de 600 °C. Or la production de NOx sur les bruleurs classiques est très dépendante des niveaux de températures d’air avec une courbe d’évolution exponentielle. On limite donc la température d’air sur ces brûleurs. Cette évolution du NOx en fonction de la température d’air est nettement plus plate et linéaire dans une combustion diffuse, ce qui permet de porter la température de l’air à 600 °C. Cette température d’air plus élevée limite la consommation en combustible et favorise la recirculation des fumées et l’homogénéité des espèces dans la chambre de combustion.

Le préchauffage de l’air de combustion peut être réalisé dans un échangeur de chaleur dans lequel ont fait circuler les fumées sortant de la section de préchauffage. Bien que refroidis par un échange avec la bande dans la zone récupérative, leur niveau de température est encore suffisant pour assurer le préchauffage de l’air de combustion.

Les brûleurs présentent une direction axiale au croisement de deux plans perpendiculaires, et comprennent un diffuseur traversé par des conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant. Lesdits conduits d’injection de comburant débouchent du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme. Les brûleurs ont des conduits d’injection de comburant qui débouchent du diffuseur sur un premier plan qui sont divergents et d’autres qui débouchent du diffuseur sur le second plan qui sont convergents vers l’axe du brûleur.

Les conduits d’injection de combustible et de comburant sont disposés de sorte d’obtenir la distribution souhaitée du combustible et du comburant dans le volume de la chambre de combustion délimité par une face de la bande et les parois latérales et frontales du four pour obtenir une combustion sans flamme. La combustion volumique qui en résulte permet d’obtenir une bonne distribution des produits de combustion sur la largeur de la bande et ainsi une bonne homogénéité de température sur celle-ci.

A cette fin, les brûleurs sont positionnés dans la section de préchauffage avec leur premier plan disposé parallèlement à la bande. Ainsi, pour une section de préchauffage verticale dans laquelle la bande circule verticalement, les brûleurs sont positionnés dans la section de préchauffage avec leur premier plan disposé verticalement. A l’inverse, pour une section de préchauffage horizontale dans laquelle la bande circule horizontalement, les brûleurs sont positionnés dans la section de préchauffage avec leur premier plan disposé horizontalement. Ainsi, l’orientation du brûleur change de 90° selon qu’il est implanté sur une ligne horizontale ou verticale.

A l’échappement des conduits d’injection, le comburant s’étale sur le premier plan et se contracte dans le second plan. Les jets de combustible ont une impulsion inférieure à celle des jets de comburant. Le combustible est aspiré par le comburant avec qui il réagit, constituant une enveloppe au flux d’air qui vient protéger la bande de l’oxydation. L’impulsion des jets de comburant aspire de la même façon des fumées pour les recirculer.

Ainsi, bien que la bande se trouve à proximité immédiate des brûleurs, l’axe des brûleurs se situant typiquement à environ 400 mm de la bande, on évite la présence d’oxygène au voisinage de la bande et son oxydation.

Ce critère de l’oxygène proche bande est critique pour un usage de brûleurs latéraux sans flamme dans une section de préchauffage car les brûleurs sans flamme nécessitent en général de plus gros volumes de chambre de combustion pour atteindre un maximum de recirculation de fumées. Si le confinement de la chambre ne le permet pas, la combustion s’étale et l’oxygène résiduel présent au sein de la flamme vient polluer la bande.

Pour une application en section de préchauffage, il ne suffit donc pas d’homogénéiser le taux d’oxygène dans la flamme comme dans un brûleur sans flamme classique. Il faut également ne pas augmenter la taille de la zone de réaction. Autrement dit, il ne faut pas augmenter la largeur de la flamme. Or une combustion sans flamme est en générale plus étendue qu’une combustion classique.

Le régime de combustion sans flamme s'appuie sur la présence nécessaire d'une zone de recirculation de forte intensité autour des jets de réactifs dans l'enceinte du four. Les jets de combustible et d’air doivent donc avoir une impulsion suffisante pour pouvoir entrainer et se mélanger aux fumées aspirées. Les impulsions des jets de comburant et de combustible mises en œuvre selon l’invention garantissent un taux de recirculation global des fumées de six autour des jets ce qui est suffisant pour la combustion sans flamme. Cela sous-entend que, en moyenne, le jet de comburant ou de combustible se dilue dans six volumes de fumées.

En outre, les brûleurs sans flamme ne possèdent pas de tunnel de combustion. Or celui-ci contribue à initier très tôt les réactions sur un brûleur classique. La conséquence néfaste pour une application de brûleurs sans flamme en section de préchauffage serait de venir impacter le mur situé en face du brûleur ce qui accélèrerait sa dégradation. Pour cette raison il est nécessaire de contenir aussi la longueur de la flamme.

La disposition des conduits d’injection du comburant et du combustible des brûleurs selon l’invention permet de répondre à ces contraintes.

Les conduits divergents sont divergents selon un angle compris entre deux et douze degrés, et de préférence de sept degrés.

Les conduits convergents sont convergents selon un angle compris entre un et cinq degrés, et de préférence de trois degrés.

Les conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme sont convergents vers l’axe du brûleur.

Ils sont convergents selon un angle compris entre cinq et quinze degrés et de préférence de onze degrés.

Ces angles sur les conduits de combustible et de comburant, combinés aux vitesses d’injection et à l’impulsion des jets, sont particulièrement adaptés pour les dimensions usuelles d’une section de préchauffage à flamme directe. L’impulsion et l’angle d’injection des jets d’air sont prédominants, l’impulsion des jets de combustible étant plus faible.

Comme on peut le voir en se reportant à la figure 7 des dessins annexés, la disposition des conduits d’injection de combustible et de comburant selon l’invention permet d’obtenir une flamme dont la section à une forme en X. Ainsi, la flamme s’étend selon la direction verticale et elle se contracte selon la direction horizontale.

Les brûleurs sans flamme sont instables à froid. En effet, sur ces brûleurs, les flammes sont décrochées et se développent de manière diffuse dans le four. A froid, lorsque la température d’auto-inflammation n’est pas atteinte, cela pose un problème car en cas de décrochage de flamme, le brûleur met en sécurité toute la zone de la section de préchauffage. Celle-ci doit alors être purgée pour pouvoir redémarrer. Il convient donc d’avoir un mode de chauffage très stable à froid pour monter le four en température.

Pour répondre à cette contrainte, les brûleurs comprennent un deuxième conduit d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode flamme qui s’étend selon la direction axiale du brûleur et qui débouche du diffuseur dans l’axe du brûleur.

Les brûleurs ont également un conduit annulaire d’alimentation en air de combustion autour du conduit d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode flamme. Cet air contribue à l’accrochage de la flamme.

Les brûleurs selon l’invention sont particulièrement adaptés pour un fonctionnement en gaz naturel et en gaz de sidérurgie, notamment en gaz de four à coke également appelé COG pour « Coke oven gas ».

Le brûleur selon l’invention permet d’obtenir des niveaux de NOx inférieur à 100 mg/Nm³à 3 % d’oxygène pour un four à 1350 °C, un réglage de combustion en défaut d’air et de l’air de combustion préchauffé à 600 °C.

La teneur en oxygène résiduel proche de la bande est faible et homogène sur la largeur de la bande. Elle varie légèrement selon le rapport air/gaz, avec de l’ordre de 20 ppm pour un facteur air/gaz de 0,90 et 25 ppm pour un facteur air/gaz de 0,95.

Des brûleurs disposés en entrée de la zone active de la section de préchauffage, selon le sens de défilement de la bande, fonctionnent en atmosphère stœchiométrique alors que les autres, la majorité des brûleurs, fonctionnent en défaut d’air. Le fonctionnement en atmosphère stœchiométrique de ces brûleurs permet de produire des fumées qui vont brûler/craquer les hydrocarbures présents à la surface de la bande. Le fonctionnement en défaut d’air des autres brûleurs permet d’obtenir des fumées réductrices qui vont réduire les oxydes de fer présent à la surface de la bande.

Les brûleurs de la section de préchauffage sont ainsi répartis selon au moins deux zones de régulation. L’atmosphère dans la section est contrôlée le long de la zone active en faisant varier le rapport air/gaz dans les différentes zones de régulation.

Certains produits plats arrivant sur le marché, notamment les aciers de troisième génération, nécessitent une pré-oxydation sélective de la surface de la bande. Pour obtenir cette pré-oxydation, la préchauffe est réalisée en plusieurs étapes avec une étape dans une zone très légèrement oxydante. Dans celle-ci, la combustion doit être réglée finement autour du facteur air/gaz visé, généralement compris entre 1.01 et 1.05. Le nouveau design de brûleur selon l’invention est compatible avec cette utilisation. La répartition de l’oxygène proche bande est en très homogène, à +/- 0.1 %. On peut ainsi produire une oxydation sélective identique sur toute la largeur de la bande, d’autant plus que l’homogénéité de température de la bande est également améliorée. L’épaisseur de couche d’oxyde sur l’acier est ainsi contrôlée par une gestion simple de l’excès d’air dans cette zone. L’avantage de cette caractéristique est intéressant car elle évite une chambre complexe dédiée à l’oxydation sélective de la bande.

Selon un second aspect de l’invention, il est proposé une section de préchauffage à flamme directe pour lignes de traitement en continu de bandes métalliques équipée de brûleurs tels que décrits précédemment, lesdits brûleurs étant disposés latéralement.

De plus, les brûleurs sont disposés en quinconce de chaque côté du four et en quinconce de chaque côté de la bande. Cette disposition participe à une montée en température progressive de la bande le long de la zone active de la section de préchauffage.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

est une vue d’ensemble schématique d’une ligne de galvanisation avec une section verticale de préchauffage à flamme directe selon un exemple d’état de la technique,

est un agrandissement de la section de préchauffage de la figure 1,

est une vue frontale schématique du diffuseur d’un brûleur selon un mode de réalisation de l’invention,

est une vue schématique en coupe et en trois dimensions d’une moitié du diffuseur selon la figure 3,

est une vue schématique latérale montrant la forme frontale de la flamme avec un brûleur fonctionnant en mode flamme selon l’état de la technique, pour une section de préchauffage verticale,

est une vue schématique montrant la forme frontale de la flamme avec un brûleur fonctionnant en mode sans flamme selon l’état de la technique, toujours pour une section de préchauffage verticale,

est une vue schématique montrant la forme frontale de la flamme avec un brûleur selon l’invention fonctionnant en mode sans flamme, toujours pour une section de préchauffage verticale.

Description détaillée de l’invention

Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.

Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références.

En se reportant au schéma de la figure 2 des dessins annexés, on peut voir que la zone active 14 de la section verticale de préchauffage comprend une pluralité de brûleurs 15 selon l’invention disposés sur ses faces latérales. Sa température moyenne est d’environ 1350 °C. Dans l’exemple représenté, les brûleurs sont placés en quinconce de chaque côté du four et en quinconce de chaque côté de la bande. Ainsi, les brûleurs sont disposés deux par deux sur des plans horizontaux successifs, mais la position des brûleurs est différente entre deux plans horizontaux. Sur un premier plan horizontal, un brûleur est disposé sur une face latérale du four et sur un côté de la bande et le second est disposé sur la face latéral opposée, et de l’autre côté de la bande. Nous avons l’inverse dans un second plan horizontal voisin du premier.

La distance entre l’axe des brûleurs et la bande est par exemple de 400 mm. La distance entre deux brûleurs disposés sur une même face de la zone active et du même côté de la bande est par exemple de 750 mm.

La puissance nominale d’un brûleur est par exemple de 500 kW et généralement comprise entre 400 kW et 800 kW. Elle peut être différente sur la longueur de la section de préchauffage. Cependant, tous les brûleurs ont souvent la même puissance nominale et ils fonctionnent en mode proportionnel pour moduler l’apport calorifique sur la longueur de la zone active.

Le dimensionnement du brûleur prend en compte différents aspects qui touchent à la fois à la capacité de la ligne (nombre de tonnes par heure de bande d’acier à réchauffer), à la mise en œuvre du mode de combustion sans flamme, du développement de la flamme souhaité dans le four selon la largeur de bande et les dimensions de la section transversale de la zone active, ainsi qu’à la prise en compte des conditions d’utilisation du brûleur.

Comme illustré sur les figures 3 et 4, pour cet exemple de réalisation de l’invention, le comburant passe au travers de quatre conduits 16, 17. Pour une puissance du brûleur de 500 kW et de l’air préchauffé à 600 °C, ces conduits peuvent avoir un diamètre de 21 mm. Ils débouchent dans un petit mini-tunnel 18 par des trous dont les axes sont distants de l’axe central du brûleur de 100 mm. La longueur des conduits 16, 17 doit être d’au moins trois fois leur diamètre pour établir correctement le jet d’air à l’échappement du conduit. Les vitesses d’air chaud sont généralement comprises entre 50 et 300 m/sec, et typiquement de 200 m/sec. L’orientation divergente des jets 17 à 7° permet d’étaler la flamme. L’orientation convergente des jets 16 à 3° permet de la contracter. Plus la divergence est augmentée et plus il y a un risque de détériorer le niveau des NOx. En augmentant la convergence, il y a un risque de perturber le flux d’air et donc d’avoir une flamme instable. La plage pour laquelle le fonctionnement est optimum est ainsi assez mince, avec +/- cinq degrés pour les jets verticaux divergents et +/- deux degrés pour les jets horizontaux convergents.

Les trous d’air sont groupés par paire. Ils doivent être diamétralement opposés selon deux plans orthogonaux. Il n’est pas nécessaire que les paires de trous soient identiques. On obtiendra un étalement de la flamme plus important si les trous d’air divergents ont un diamètre plus important. Pour conserver la même vitesse à l’échappement des conduits de comburant convergents et divergents, le diamètre des trous d’air convergents est réduit proportionnellement à l’augmentation de celui des trous divergents.

La sortie des jets d’air se situent en retrait par rapport à la face chaude du diffuseur de 60 mm environ. Ce mini tunnel 18 permet d’initier le mélange de l’air avec les fumées et abaisse localement le taux d’oxygène partiel. Son diamètre est de 150 mm soit 1.5 fois le diamètre sur lequel sont disposé les échappements des conduits d’air 16, 17. Une autre utilité de ce tunnel est d’améliorer la stabilité de la flamme lorsque le four est froid.

L’injection du combustible est réalisée par deux conduits 19. Les jets de gaz sont diamétralement opposés et placés sur le même plan P1 que les conduits d’air divergents, sur l’extérieur du diffuseur 22 sur un diamètre de 250 mm. Les deux conduits 19 sont convergents vers l’axe du brûleur selon un angle de 11°. Cette particularité permet au gaz d’être mélangé aux fumées avant d’être aspiré par les jets d’air. Un principe similaire aurait été obtenu en disposant les conduits 19 sur le même plan P2 que les conduits d’air convergents puisque le gaz est aspiré par le flux d’air. Le point de rencontre air/gaz se situe environ à 30 cm du diffuseur.

Les conduits 19 d’injection du gaz ont un retreint à leur extrémité pour la mise en vitesse du jet dont le diamètre est de 15 mm. La vitesse de gaz à l’échappement est ici de 50 m/sec pour du gaz naturel. Elle est généralement comprise entre 20 et 100 m/sec. Les orifices d’échappement du gaz sont distants de deux à quatre fois la distance entre les deux orifices d’échappement de l’air d’une même paire, horizontale ou verticale. Vu l’angle d’inclinaison des injecteurs qui peut aller jusqu’à 15°, il convient de ne pas trop écarter les jets de gaz pour une question d’encombrement à l’extérieur du four.

Les conduits 19 d’injection du gaz débouchent dans une petite cavité permettant de les protéger du rayonnement de la flamme et du four, la mise en vitesse du gaz étant assurée par le retreint en bout de conduit.

Sur ces figures 3 et 4, le brûleur est représenté avec un plan P1 vertical et un plan P2 horizontal. Ces figures illustrent ainsi l’orientation du brûleur lorsqu’il est positionné dans une section verticale puisque la la bande serait représentée verticale si elle était ajoutée à ces figures.

Pour la stabilité de flamme à froid, une canne de gaz 20 classique axiale, percée de trois rangées de trous radiaux, est alimentée en combustible au lieu des deux conduits 19 périphériques lors des phases de montée en température du four. En variante, la canne de gaz 55 axiale est alimentée en prémélange air/gaz. Le débit de combustible injecté par la canne de gaz axiale représente moins de 10 % du débit global de combustible. Le but est d’avoir un mélange le plus intime possible avec l’air. Le tunnel 18 du diffuseur au niveau de l’injection d’air permet de stabiliser la combustion. En revanche, nous perdons l’avantage du fonctionnement sans flamme. Pour cette raison, ce mode de fonctionnement n’est utilisé que lorsque le four a une température inférieure à 850 °C et avec un réglage de combustion légèrement oxydant.

Autour de la canne axiale 20 de gaz pour le fonctionnement à froid, un passage annulaire 21 d’air de combustion contribue au bon allumage du brûleur et à la stabilité de flamme à froid. Ce passage annulaire est alimenté en air comme les conduits 16, 17 périphériques. Le débit d’air de combustion dans ce passage annulaire est d’environ 20 % du débit total d’air de combustion. Il est maintenu pour les deux modes de fonctionnement du brûleur, en mode flamme et en mode sans flamme.

Le diffuseur peut être réalisé dans un matériau réfractaire usuel pour ce type d’application, de même nature que celui des brûleurs frontaux à flamme selon l’état de la technique.

Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims (9)

1. Brûleur (15) à combustible gazeux apte à fonctionner en mode dit « sans flamme », présentant une direction axiale (A) au croisement de deux plans perpendiculaires (P1, P2) et comprenant un diffuseur (22) traversé par des conduits d’injection de combustible (19) pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant (16, 17), lesdits conduits d’injection de comburant (16, 17) débouchant du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible (19) pour un fonctionnement en mode sans flamme, caractérisé en ce qu’il comprend des conduits d’injection de comburant (17) qui débouchent du diffuseur sur un premier plan (P1) qui sont divergents et des conduits d’injection de comburant (16) qui débouchent du diffuseur sur un second plan (P2) qui sont convergents vers l’axe du brûleur.
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits divergents (17) sont divergents selon un angle compris entre deux et douze degrés, et de préférence de sept degrés.
3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les conduits convergents (16) sont convergents selon un angle compris entre un et cinq degrés, et de préférence de trois degrés.
4. Brûleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits d’injection de combustible (19) pour un fonctionnement en mode sans flamme sont convergents vers l’axe du brûleur.
5. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les conduits d’injection de combustible (19) sont convergents vers l’axe du brûleur selon un angle compris entre cinq et quinze degrés et de préférence de onze degrés.
6. Brûleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un deuxième conduit d’injection de combustible (20) pour un fonctionnement en mode flamme qui s’étend selon la direction axiale du brûleur et qui débouche du diffuseur (22) dans l’axe du brûleur.
7. Section (1) de préchauffage à flamme directe pour ligne de traitement en continue d’une bande (B) métallique, caractérisée en ce qu’elle comprend un four équipé de brûleurs (15) selon l’une quelconque des revendications précédentes, lesdits brûleurs étant disposés latéralement.
8. Section selon la revendication précédente, dans laquelle les brûleurs sont positionnés avec leur premier plan (P1) disposé parallèlement à la bande.
9. Section selon l’une des deux revendications précédentes, dans laquelle les brûleurs sont disposés en quinconce de chaque côté du four et en quinconce de chaque côté de la bande.