WO2002088680A1 - Procede de controle d'un produit traite dans un four et four ainsi equipe de moyens de controle - Google Patents

Procede de controle d'un produit traite dans un four et four ainsi equipe de moyens de controle Download PDF

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WO2002088680A1
WO2002088680A1 PCT/FR2002/001317 FR0201317W WO02088680A1 WO 2002088680 A1 WO2002088680 A1 WO 2002088680A1 FR 0201317 W FR0201317 W FR 0201317W WO 02088680 A1 WO02088680 A1 WO 02088680A1
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WO
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oven
laser beam
product
temperature
atmosphere
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/001317
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English (en)
Inventor
Christel Champinot
Savine Bockel-Macal
William Anthony Von Drasek
Olivier Delabroy
Olivier Charon
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/30—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/40—Arrangements of controlling or monitoring devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a process for controlling, in particular the quality, of a product treated in an oven and in particular an oven equipped with means of controls suitable, in particular for the implementation of this process. It relates more particularly to a process for improving the heating of ovens in particular those called continuous loading and more particularly the heating of ovens intended to bring to high temperature, as uniformly as possible, steel products which may be of large sections, by example of slabs, billets, blooms or ingots with a view in particular to a subsequent rolling operation.
  • the ovens in which this process can be implemented can be beam ovens, push-in ovens, rotary hearth ovens, in particular, but also ovens for the heat treatment of materials (for example annealing or other ovens in which the mechanical properties of parts to be treated are modified in the presence of a particular gaseous atmosphere and at a generally high temperature), in parade in particular, for semi-finished or finished products (strips, tubes, wires, various parts).
  • a reheating furnace for steel products is generally a longitudinal type furnace comprising an end for charging the products and an end for discharging the products. These ovens usually consist of several successive zones. After placing a product in the oven, it first passes through (in the direction of movement of the products in the oven), a first upstream zone called the exhaustion (or recovery) zone of the fumes in which performs a heat exchange between the fumes produced downstream of the oven and which circulate against the current of the products to be heated, in order to preheat this product, at least in its surface part (the purpose of a reheating oven is to bring the product out of the oven to a temperature considered ideal for the next step, in general, rolling, and with a product temperature as uniform as possible throughout its volume).
  • Each heating zone is generally provided with heating means of the burner type (air / fuel) and makes it possible to transfer thermal energy to the product, while the equalization zone can also include burners, its function being to ensure the thermal uniformity of the product at the outlet of the oven.
  • the burners are generally installed preferably on either side of the product which circulates in the oven or can be placed in the roof of the oven (in the case of radiant arches) or even in niches, depending on the width of the oven.
  • the transfer of heat between the burners and the load to be heated is mainly effected by radiation between the walls of the furnace, heated by the burners, and the load. Then, the part is heated in its thickness by thermal conduction from the heated surface (s).
  • the power distribution to the burners as well as the running speeds of the products and their spacing are generated so as to obtain a temperature rise profile of the hot surface of the parts calculated for each type of part.
  • the recovery zone makes it possible to increase the temperature of the products typically up to 600 ° C / 700 ° C, then the heating zone makes it possible then to increase the temperature of the products up to approximately 1100 ° C / 1250 ° C in area.
  • the equalization zone allows the temperature to be homogenized in the mass of the parts using burners with a power lower than the power of those used in heating ovens, the target temperature being typically 1200 ° C / 1250 ° C for the entire volume of the part, this final temperature depending on the type of steel heated.
  • burners used are oxygen-enriched air burners (the oxidizer comprising more than 21% vol. O 2 to approximately 90% vol. O 2 ) or oxy-fuel burners (i.e. using an oxidizer which contains more than 90% vol. O 2 such as in particular the oxygen produced for VSA type devices, preferably more than 98% 0 2 ) heat transfer can also be effected by radiation, towards the charge, of flames and especially of the volume of gas constituted by the combustion products of said flame.
  • the oxidizer comprising more than 21% vol. O 2 to approximately 90% vol. O 2
  • oxy-fuel burners i.e. using an oxidizer which contains more than 90% vol. O 2 such as in particular the oxygen produced for VSA type devices, preferably more than 98% 0 2
  • heat transfer can also be effected by radiation, towards the charge, of flames and especially of the volume of gas constituted by the combustion products of said flame.
  • a parallel or even competitive mechanism which also comes into play on the surface of steel is decarburization.
  • carbon atoms diffuse from the inside of the steel to the surface.
  • Decarburization is then limited by the diffusion of carbon at the treatment temperature and is favored by the ability of the gases formed (CO) to escape from the scale-steel interface.
  • the thickness of the layer with carbon atom deficits is called "decarburized thickness”.
  • the essential factor ensuring the quality of the heating of a product is the control of the final temperature of the product and its thermal homogeneity, regardless of the history of the heating that took place in the oven (time spent at certain levels temperature, slower rate due to a rolling mill incident, etc.) ,. Any lack of thermal uniformity will cause structural defects and a posteriori mechanical fragility of the finished products. These faults can also cause stops or even breaks in certain parts of the rolling mill (in particular rolling mill stands).
  • combustion products are gaseous pollutants, mainly nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide (CO) which are very dependent on the combustion conditions in the oven and that it is therefore necessary to control.
  • NO x nitrogen oxides
  • CO carbon monoxide
  • oxygen measurement probes located either in the roof or in the oven chimney. These probes are for example zirconia probes or probes by sampling followed by a measurement by O 2 analyzer.
  • these probes only measure an overall oxygen content of the atmosphere located near the vault which may not be representative of the atmosphere located near the product. However, it is the atmosphere near the surface that will condition the reactions for the formation of scale. Finally, the only information measured is an oxygen concentration while the concentrations of water vapor and carbon dioxide also have an oxidizing role on the charge and are involved in the reactions for calamine formation.
  • thermocouples located in the roof of the oven. These thermocouples are arranged far from the load and are not representative of the heat flux received by the load, under the burners. It is therefore necessary to estimate the relationship between the vault temperature (measured) and the temperature of the load (useful information). This relationship is either empirical (based on operator know-how) or calculated by oven control software.
  • this measurement is a point measurement usually located on the axis of the oven and which does not account for any variations of said parameter over the entire width of the oven.
  • Optimizing the operation of these primary measures requires, for the most part, knowledge of a certain amount of information that is not currently available.
  • so-called re-burning operations aimed at reducing NO x emissions consist in injecting a quantity of fuel into the furnace to destroy the NO x present and re-combine it into N 2 .
  • the fuel rate is adjusted empirically and has a fixed initial value whatever the operating mode of the furnace. In particular, this process is regulated once and for all, based on a specific measurement of emissions carried out at the outlet of the oven, at the time of installation.
  • Another process for reducing NO x is for example oscillating combustion (described in US-A-5,522,721 and EP-A-524880) consisting in oscillating the injection of fuel and / or oxidant.
  • the frequency, the amplitude and the oscillation phases are parameters which will influence the reduction of NO x .
  • these parameters are fixed once and for all with a single measurement, a punctual emission measurement made at the exit of the oven, at the time of installation.
  • the present invention makes it possible to solve the problems thus posed and to avoid the drawbacks of the prior art.
  • the aim of the present invention is to propose a method aimed at:
  • the method according to the invention consists in installing means of measurements in real time, with a short response time. These measurement means are distributed at different points of the oven and / or its chimney and makes it possible to characterize the atmosphere near the load.
  • the temperature of the furnace atmosphere and / or the composition of 0 2 and / or CO 2 and / or H 2 0 and / or CO is measured near the load. The information collected is used to adjust the burners in each zone of the oven in order to generate a specific gas atmosphere in these different zones and therefore to control the metallurgical quality of the product.
  • the distance between the measuring point and the product will preferably be between 1mm and 15cm and more preferably between about 2cm and 6cm. In the case of so-called “pushing” ovens, this distance is measured in relation to the upper surface of the product. In the case of so-called “beam” ovens, this distance is measured from the top position of the upper surface of the product, (the product having a high position and a low position, at least)
  • the measurement means located in the chimney it is important to carry out the measurement as close as possible to the flue gas outlet.
  • a specific measurement in the exhaust duct will not be representative because the fumes are not homogeneous in this area. It is therefore preferable to use a measuring means which makes it possible to obtain an average value of the variable or variables to be measured, obtained on the diameter of the conduit where the measurement is carried out.
  • the invention relates to a method for controlling a product treated in an oven, in which the product is introduced into the oven, then treated in the oven at a temperature T generally variable depending on the location chosen in this oven, and under a atmosphere containing different species, at least some of which can be measured, the product then being extracted from the oven after a given treatment time, the oven comprising means for measuring at least one of the parameters of the oven, chosen from all of the parameters consisting of the temperature T and the species of the atmosphere whose presence is measurable, characterized in that at least one of said parameters is measured using a laser beam emitted by laser beam emitting means and captured after having passed through the oven at least once by laser beam receiving means, said laser beam passing through the oven at a distance from the product, when the measurement is carried out, which is between 1mm and 15cm, preferably between 2 and 6cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure at least one of the desired parameters by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • It also relates to a method for obtaining data relating to the atmosphere of an oven, in particular for reheating, characterized in that it comprises emission means for emitting a laser beam through the atmosphere of the oven, the wavelength of the laser beam can varying within a wavelength range, scanning means for varying the wavelength of the laser beam within its wavelength range and means for detecting the laser beam transmitted after at least one passage through the atmosphere of the oven and to convert the transmitted laser beam into an electrical signal representative of the data relating to the atmosphere and / or the temperature of the oven.
  • the measuring means will consist of a laser diode.
  • the principle of the laser diode consists in measuring the absorption of part of a laser beam emitted at an appropriate wavelength by the gas whose concentration one seeks to measure.
  • the term “laser diode” is understood to mean a measurement system consisting of a laser beam emitter preferably having a variable wavelength in a range of wavelengths ⁇ d which includes one at least characteristic lengths absorbed by the species whose presence (and concentration after calibration of the apparatus) and a receptor for this beam are to be detected after it has crossed the medium to be analyzed and means of comparison, for example the amplitude of the received laser beam (beam intensity) and the amplitude of the laser beam emitted over the entire wavelength range considered.
  • the laser diode is adjusted to measure all the necessary information, for example the absorption of at least one of the species O 2 , CO, H 2 0, C0 2 and / or NO x as well as preferably the average temperature along the optical path traveled by the laser beam. It is thus possible to have a single laser diode system, connected to several measurement points (multiplexing). For more details on this particular mode of operation of a laser diode, reference may be made to Patent Application No. PCT / US / 00/28869, filed on November 1, 2000 and entitled "Method for Continuously Monitoring Chemical Species and Temperature in Hot Process Gases.
  • Another embodiment consists in using several diodes each measuring one or more species among the necessary information. For example, CO and CO 2 using a first laser diode, H 2 0 and T ° using a second diode and O 2 using a third, etc. These different Laser diodes can optionally be used in the multiplex mode to multiply the measurement points on the oven, as described above.
  • the laser diode system is installed in the desired location on the oven which will have sighting openings or windows.
  • the laser beam enters the oven through the sight windows.
  • the laser transmitter and receiver can be positioned behind each of these sight windows placed on either side of the product, generally in the side walls of the oven.
  • the transmitter and the receiver can be placed behind the same viewing window and a mirror is then placed behind the other viewing window so as to reflect the laser beam emitted by the transmitter towards the receiver.
  • a generally inert gas for example nitrogen, can be used to clean the surface of the sight windows of the emitter and receiver of the laser diode in order to avoid the deposit of dust detrimental to the measurement and / or also to prevent overheating of the transmitter and receiver (the temperature of the gas used will preferably be less than or equal to the ambient temperature).
  • laser beam emitting means covers the different variants described below.
  • each source can itself be used in multiplexing mode or by providing a diode for each sight window, or a combination of these two modes, depending on the species and / or the windows.
  • the measurement is carried out along the optical path, and therefore represents the spatial average over the entire width of the oven, for the concentration of the desired species,
  • the measurement can be made a few cm above the load without penetration of the instrument into the oven, which avoids, compared with the systems of the prior art:
  • a measurement using a laser beam will be used in at least one of the zones of the oven described above, preferably in several of these zones, in particular those comprising heating means, such as burners. , which we can then adjust the fuel and / or oxidizer flow rates in order to modify the conditions under which this combustion takes place and increase (or preferably decrease) the concentration of the gaseous species or species measured, in a manner well known to those skilled in the art.
  • an apparatus for obtaining data relating to the atmosphere of an oven in particular for reheating, characterized in that it comprises emission means for emitting a laser beam through the atmosphere of the oven, the wavelength of the laser beam being able to vary within a wavelength range, scanning means for varying the wavelength of the laser beam inside its wavelength range and means for detecting the transmitted laser beam after at least one passage through the atmosphere of the oven and for converting the transmitted laser beam into an electrical signal representative of the data relating to the atmosphere of the oven.
  • this apparatus for obtaining data in an oven in which there is at least one product which moves from the inlet to the outlet of the oven, characterized in that the emission means and the detection means are placed so that the laser beam is at a distance between 1 mm and 15 cm, preferably between 2 cm and 6 cm from the product, when the measurement is made.
  • the invention relates to the use of a laser diode for measuring the temperature and / or at least one species chosen from O 2 , CO, C0 2 , H 2 0, NOx, in an oven and in particular a reheating oven.
  • FIG. 1 a temperature curve in a reheating oven as a function of the position in the oven
  • Figure 2 a sectional view of the implementation of a laser diode
  • FIG. 3 which represents the actual temperature measured using a laser diode in an oven.
  • FIG. 4 which represents a reheating furnace equipped with a laser diode for the optimization of a primary measurement for the reduction of NO x
  • FIG. 5 which represents a reheating furnace equipped with a laser diode for the optimization of an oscillating combustion system.
  • Figure 1 describes an implementation for controlling and therefore improving the metallurgical quality of the product surface.
  • the load (5) undergoes a first temperature rise in the zone (2).
  • the zone (2) contains the so-called recovery zone.
  • the area (2) can be confused with the recovery area ..
  • temperatures reach a temperature T b ECAR - This temperature is typically 700 ° C for steel and decarbonization will be more sensitive to this temperature that the carbon content of the steel is high.
  • T dec because, in the presence of oxidizing species, the reactions of decarburization and formation of scale accelerate: the temperature at which the formation of scale becomes effective is approximately 800 ° C. for the steels.
  • the product passes through the zone (3) then enters the equalizing zone (4) when the temperature T e gaiisation (typically 1100 ° C).
  • T e gaiisation typically 1100 ° C.
  • This very high temperature zone brings the product to its final temperature (Tf ina i, typically 1250 ° C) and is particularly critical for the formation of scale.
  • the product temperature curve is indicated above the oven, curve (10).
  • the access (6) is located in the equalization zone (4), the access (7) is located in the heating zone (3), the access (8) is located in the zone (2) which contains the so-called recovery zone while the access (9) is located in the chimney (1).
  • Each access can be equipped with its own set (transmitter / receiver) laser diode.
  • a single laser source will be used connected by optical fibers to the various accesses where a receiver and a transmitter are installed.
  • the laser source and the emitter we will use an optical fiber and a coaxial cable to return the beam having passed through the oven (once or more times if we choose the operation with reflector on the second window, as described above) from the receiver to the signal processing system, the laser beam feeding sequentially (multiplexing) each fiber for each access.
  • the measurement of the concentration of the oxidizing species is carried out by the ports (6), (7), (8), (9) to which one or more laser diodes have been connected.
  • zone (2) (temperature below T d ⁇ because b ), the fuel and oxidant flow rates of the burners in zone (2) must be adjusted according to the invention so as to generate an oxygen content in the atmosphere between 0.5% and 4% and preferably between 2 and 3%.
  • the measurement is carried out either as close as possible to the product (as described above), by the access (8), or, preferably, by the access (9). If the measurement shows an oxygen fault, the burner regulation must correct and increase the oxidizer flow to the burners in the area.
  • zone (2) is not equipped with a burner (case zone (2) is confused with the recovery zone), the adjustment of the oxygen concentration can be done using injection of oxygen in the oven, as close as possible to the product, for example by using an oxygen lance, the oxygen preferably being industrially pure oxygen.
  • zone (2) a protective layer of Fe 2 0 3 and Fe 3 0 will be formed and reinforced by the presence of residual oxygen in the fumes. These oxides will be formed at the expense of more plastic oxides such as FeO or FeSi04, which in this case lead to strong adhesion of the scale.
  • the protective regime (parabolic oxidation stage) is established more rapidly for the partial pressures of oxygen included in the above-mentioned range.
  • fuel flow and combustion of the burner area (3) is payable according to the invention so as to generate an oxygen content in the near zero. The atmosphere will be lacking in oxygen, therefore in excess of fuel and in particular of CO.
  • the burners will be adjusted so that the O 2 concentration is zero and the CO concentration between 0% and 5% and preferably between 0.5 and 3%. In this higher temperature zone, it is sought to limit as much as possible the formation of scale and decarburization by reducing the concentration of oxidizing species (O2, CO2, H2O).
  • zone (4) (temperature above legalization), the fuel and oxidant flow rates of the burners in zone (4) must be adjusted according to the invention so as to generate an oxygen content in the atmosphere between 0.5% and 5% and preferably between 1.5 and 4%.
  • the measurement is carried out as close as possible to the product, via the access (6).
  • this zone and in the presence of oxygen there is a consumption of the decarburized layer by oxidation which will be accompanied by an increase in porosity of the scale, which will facilitate its elimination out of the oven.
  • This exemplary implementation of the invention makes it possible to obtain better thermal homogeneity of the products.
  • the invention consists in allowing the adjustment of the burners by local measurement, zone by zone and a few cm above the load, of the temperature of the atmosphere of the oven thanks to a laser diode system.
  • the transverse view of the oven (11) shows the location of the product (12) and the thermocouple (13) according to the technique of the prior art. Measuring the thermocouple (13) gives a temperature value in the axis of the oven and away from the product (12).
  • a laser diode (14) is installed to measure an average temperature value along the optical path (15), therefore across the width of the oven.
  • the number of measurement points has here been limited to three. Preferably, between 1 and 10 measurement points will be used in an oven.
  • An oven (21) is equipped with accesses (23, 24, 25) located above the product (22).
  • the oven operator must comply as much as possible with a product temperature rise profile (27). This profile is provided to the operator, either by experience or by a chart, or by oven control software.
  • a primary solution is for example a burner whose oxidant / fuel injections can be adjusted separately.
  • a measurement at the heart of the furnace and a continuous measurement with a short response time are essential to optimize their efficiency.
  • this analysis is carried out by laser diode in the areas of the furnace in which these primary operations are carried out.
  • FIG. 4 represents the implementation of a primary solution (34), in an oven (31).
  • the accesses (32) and (33) are equipped with a measurement system and preferably with a laser diode system measuring in the oven enclosure, continuously with low response time: CO, NO x , T °.
  • the measurement (32) will make it possible to characterize the state of the incoming smoke (pollutants, T °) in the zone of action of the primary solution.
  • the characteristic parameters of the primary solution can be adjusted accordingly.
  • the fuel flow can be adjusted.
  • the oxidant flow rate can be adjusted to the CO measured.
  • the measurement (33) makes it possible to verify the efficiency and to carry out the additional corrections by an information loop (feedback) on the primary solution.
  • FIG. 5 represents a top view of an oven (41) of which at least one zone (42) is equipped with burners provided an oscillating combustion system (43).
  • a laser diode (44) measures the NO x and CO levels at the heart of the zone or at the exit from this zone.
  • the frequency and / or amplitude of the oscillations the respective phase of the burners located side by side and / or the burners located face to face can be varied.
  • the invention has been more particularly described for a reheating oven, but applies to all types of oven in which a product is treated, generally at a temperature above room temperature, under any atmosphere and when means are available. to vary the composition and / or the temperature of the atmosphere after having detected by means of the laser diode, near the product, a concentration (or presence) of a species which it is desired to modify or control.
  • the invention can also be applied to any process for treating a product in an oven also at a temperature below ambient temperature, even below 0 ° C., having a controllable atmosphere (or temperature).

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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 (11) dans lequel défile les produits (13) à traiter, grâce à l'utilisation d'une diode laser (14) dont le faisceau laser traverse l'atmosphère du four, les caractéristiques optiques du faisceau étant modifiées après traversée du four (12). L'analyse des modifications du faisceau (15) 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

Procédé de contrôle d'un produit traité dans un four et four ainsi équipé de moyens de contrôle.
La présente invention concerne un procédé 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 œuvre 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 œuvre ce procédé 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 semr-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 produits et une extrémité de défournement des produits. 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 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 température des produits jusqu'à environ 1100°C/1250°C en surface. Enfin, la zone d'égalisation, permet à la température de s'homogénéiser 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.
Si les brûleurs utilisés sont des brûleurs à air enrichi à l'oxygène (le comburant comportant plus de 21% vol. O2 jusqu'à environ 90% vol. O2) ou des brûleurs oxy-combustibles (c'est à dire utilisant un comburant qui comporte plus de 90%vol. O2 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 procédé de réchauffage certains composants des produits de combustion de l'atmosphère du four (notamment 02, H20, C02) 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 régulièrement 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 diffusent de l'intérieur 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 ».
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 entraînera 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 voûte 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 O2.
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 l'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'oxydant sur la charge et interviennent dans les réactions de formation de calamine.
Concernant le contrôle de l'homogénéité thermique du produit 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 produit selon un profil initial donné pour un four donné, en fonction du type de charge et de production. Ce profil 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 et/ou 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 type de combustible utilisé.
Enfin, cette mesure est une mesure ponctuelle habituellement située sur l'axe du four et qui ne rend pas compte des éventuelles variations dudit 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 rebrûlage 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'injection de combustible et/ou de comburant. La fréquence, l'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. Tout excès 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 œuvre 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) et/ou réduire l'épaisseur de la couche décarburée, et/ou
- 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 et/ou 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 et/ou la composition en 02 et /ou CO2 et/ou H20 et/ou 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 1mm et 15cm 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 fumées. 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 où 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 paramètres constitué par la température T et les espèces de l'atmosphère dont la présence est mesurable, caractérisé en ce que l'un au moins desdits 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.
Elle 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 et/ou 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 Δd 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, C02 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 Température 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 multiplexe 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, l'émetteur et le récepteur peuvent être placés derrière la même fenêtre de visée et un miroir est alors 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 ambiante). Dans le cadre de la présente invention, le terme « 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 (multiplexage) ou bien disposer d'une source de faisceau laser pour chaque 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,
- un accès au capteur limité et difficile,
- un effet pouvant engendrer des modifications du transfert thermique à la charge au cas où 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 laser dans 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 et/ou 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 l'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 appareil pour l'obtention de données dans un four dans lequel 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 comprise entre 1 mm et 15 cm, de préférence entre 2 cm et 6 cm du produit, lorsqu'on effectue la mesure.
Plus généralement, l'invention concerne l'utilisation d'une diode laser pour la mesure de la température et/ou au moins une espèce choisie parmi O2, 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 œuvre 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 5 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 œuvre 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 récupération.. Ensuite, les températures atteignent une température Tdécarb- 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 Tdécar , ©t en présence d'espèces oxydantes, les réactions de décarburation et de formation de calamine s'accélèrent : la température à laquelle la formation de 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 Tégaiisation (typiquement 1100°C). Cette zone à très haute température amène le produit à sa température finale (Tfinai, 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), l'accès (7) est situé dans la zone de chauffe (3), l'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 (émetteur/récepteur) diode laser. De préférence, on utilisera une seule source laser reliée par fibres optiques aux différents accès où sont installés un récepteur et un émetteur. Entre la source laser et l'émetteur on 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 accès (6), (7), (8), (9) auxquels on aura connecté une ou plusieurs diodes laser.
Dans la zone (2) (température inférieure à Tdθcarb), 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 ci-avant), par l'accès (8), soit, de manière préférentielle, par l'accès (9). Si la mesure montre un défaut d'oxygène, la régulation des brûleurs devra corriger et augmenter le débit de comburant aux brûleurs de la zone. Si la zone (2) n'est pas équipée de brûleur (cas où la zone (2) est confondue avec la zone de récupération), l'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 œuvre de lance à oxygène, l'oxygène étant préférentiellement de l'oxygène industriellement pur.
Dans la zone (2), une couche protectrice de Fe203 et Fe30 sera formée et renforcée par la présence d'oxygène résiduel dans les fumées. Ces oxydes seront formés au détriment des oxydes plus plastiques comme FeO ou FeSi04, 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 Tdecarb et inférieure à Tégaiisation), 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 O2 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 (O2, CO2, H2O).
Dans la zone (4) (température supérieure à légalisation), 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 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 O2 avant évacuation des fumées.
Exemple 2 :
Cet exemple de mise en œuvre de l'invention permet d'obtenir 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 un 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 voûte).
La mise en œuvre de l'invention va maintenant être explicitée 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.
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), l'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, l'homme de l'art a maintenant accès 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 l'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.
Exemple 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 comburant/combustible séparément.
Une mesure au cœur 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 œuvre d'une solution primaire (34), dans un four (31). Les accès (32) et (33) sont équipés d'un système de mesure et préférentiellement d'un système de diode laser 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 œuvre de l'invention concerne la combustion dite « 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 cœur 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 et/ou 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 produit, généralement à température supérieure à la température ambiante, sous une atmosphère quelconque et lorsqu'on dispose de moyens pour faire varier la composition et/ou 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, l'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.

Claims

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 mesurable, caractérisé en ce que l'un au moins desdits 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 1 mm 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 brûleur.
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 et/ou 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 four et notamment un four de réchauffage
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