WO2003046497A1 - Methode de conduite et de controle de procedes de traitement thermique de produits dans des fours continus - Google Patents

Methode de conduite et de controle de procedes de traitement thermique de produits dans des fours continus Download PDF

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WO2003046497A1
WO2003046497A1 PCT/FR2002/004032 FR0204032W WO03046497A1 WO 2003046497 A1 WO2003046497 A1 WO 2003046497A1 FR 0204032 W FR0204032 W FR 0204032W WO 03046497 A1 WO03046497 A1 WO 03046497A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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oven
laser beam
zone
measuring
measurement
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/004032
Other languages
English (en)
Inventor
Savine Bockel-Macal
Christel Champinot
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Gorges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Gorges Claude filed Critical L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Gorges Claude
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes

Definitions

  • the present invention relates to a method of conducting and controlling processes for heat treatment of products in continuous ovens.
  • the ovens targeted by the present invention are for example galvanizing, annealing, brazing or sintering ovens, in which the mechanical properties of parts to be treated are modified in presence of a specific gaseous atmosphere at variable temperature, for semi-finished or finished products (strips, tubes, wires, various parts).
  • Such continuous ovens include several treatment zones, with in particular a preheating zone (or a delubrification / debinding zone in the case of sintering processes), a treatment zone (for example annealing which makes it possible to relax the stresses and recrystallize the metal), a cooling zone, and for certain treatment lines, an zone comprising a zinc-based bath in which the metal product to be galvanized is immersed.
  • a preheating zone or a delubrification / debinding zone in the case of sintering processes
  • a treatment zone for example annealing which makes it possible to relax the stresses and recrystallize the metal
  • a cooling zone for certain treatment lines, an zone comprising a zinc-based bath in which the metal product to be galvanized is immersed.
  • the different zones are connected to each other and thus form a duct for circulation of the atmosphere.
  • it is essential to control the surface condition, in particular by controlling the phenomena of oxidation and decarburization, for example in galvanizing processes in order in particular to facilitate the adhesion of the zinc layer to the metal strip, or even during an annealing so as not to degrade the mechanical properties and the aptitude for subsequent phosphating or painting treatments.
  • the desired good surface condition is obtained by exposing the part to be treated to a controlled atmosphere, most often reducing, typically based on nitrogen and hydrogen.
  • the reducing nature of this atmosphere is notably linked to the local temperature of the atmosphere and to the local value of the H 2 O / H 2 composition ratio.
  • the composition of the furnace atmosphere changes over time and as a function of the strip surface to be treated per unit of time.
  • the reduction of oxides at the strip surface by hydrogen generates water vapor, the partial pressure of which must be controlled and limited, otherwise the reducing nature of the atmosphere will be lost.
  • the parasitic air inlets also participate in the production of water vapor in the oven.
  • the gas mixture is injected at several places in the oven.
  • the mixture is commonly injected at several points in the cooling zone but also in the tube, one end of which plunges into the zinc bath and the other end of which is connected to the outlet of the cooling zone, so that the reducing atmosphere circulates in the opposite direction to the direction of travel of the metal strip to be treated.
  • the parameters of the process and in particular the temperature and dew point levels required throughout the treatment also depend on the interstitial elements in the metal which can segregate at the interfaces and induce degraded mechanical properties in the event of poor process control.
  • the gas flow temperature information available to the oven operator are generally measurements delivered by one or more thermocouples located in the oven. . These thermocouples are located at the wall of the furnace and therefore most often far from the load and are not representative of the heat flux received by the load. This measurement is moreover 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.
  • the strip temperature measurements are generally carried out by infrared pyrometry.
  • the measurement is deduced from the luminance of the pyrometer which depends on the emissivity of the sheet and the reflected flux. This emissivity can vary widely (typically from 0.35 to 0.9) depending on the oxidation state of the sheet and can therefore distort the measurement. To compensate for this defect, numerous calibrations must be used.
  • the analysis means usually used for measuring the dew point are intrusive, local means and by taking a gas sample; mirror, capacitive or infrared hygrometers.
  • the main drawbacks of the mirror hygrometer are linked to the rapid pollution of the mirror by metallic dust or vapors such as zinc vapor, which requires frequent cleaning, and are linked to the slowness of the responses: they are therefore not not suitable for continuous and instantaneous specifications. We know that drift problems are observed on capacitive hygrometers therefore requiring frequent calibration.
  • the infrared hygrometer is suitable for regulating the atmosphere but has a limited detection threshold and which requires periodic recalibration.
  • the other species that we might have to analyze in such a continuous oven are for example 0 2 , CH, CO, or C0 2 depending the oven zones considered.
  • the analyzers used which are generally dedicated to the measurement of a single species are based on intrusive, local methods and by sampling. This sampling potentially generates maintenance of the sampling line, a response time corresponding to the gas circulation time between the process and the analyzer and possible pollution of the measurement by the line where chemical reactions between the gases can occur. vacuumed, the measurement of which will no longer be representative of the state of the furnace.
  • the H 2 0 content and the temperature are monitored continuously in the heating zone and / or in the furnace cooling zone by a single measuring instrument.
  • this instrument is a laser diode system. This non-intrusive system makes it possible to measure in real time the average of the concentrations of gaseous species over the length of the optical path of the laser.
  • the laser diode will be placed near the surface of the products, typically at a distance between 1mm and 15 cm, more preferably between 2 cm and 6 cm.
  • the gaseous mixtures of nitrogen or nitrogen / hydrogen are fixed and do not vary over time, whatever the speeds, the geometries and the metallurgy of the band.
  • the choice of the gaseous atmosphere, for a line which often changes product format and type of product is made to satisfy the most unfavorable case, that where the surface to be treated per unit of time is maximum.
  • the process is not optimized.
  • the diode placed in the cooling zone and in the tube, makes it possible to acquire the dew point and the temperature in the vicinity of the surface.
  • the dew point and the temperature can be regulated by modifying the flow rates and / or composition of the hydrogen-nitrogen mixture used in order firstly to avoid any reoxidation of the charge in the cooling zone and secondly to reduce the oxides present on the surface of the charge at the entrance to the annealing zone (oxides generally formed in the preheating zone).
  • These flow rates and compositions preferably vary as a function of the quantity of surface of the charge which passes per unit of time.
  • a dew point measurement in the annealing and preheating zones can advantageously also be carried out using the same diode in order to be able to detect any entry of air or trace of water vapor formed by the reaction of hydrogen. with an abnormal amount of oxides.
  • the water vapor measured by the laser diode makes it possible to accelerate the delubrification phenomenon (oxidation of residual oils from parts from the press) since we have seen it previously , according to current practice, we are content in a relatively empirical way to lengthen the preheating zone to have the certainty that the debinding takes place completely. Furthermore, a good knowledge of the temperature in the vicinity of the rooms is also a good indicator of the development of debinding.
  • the water vapor measured in real time can also be used as an indicator to regulate the total value of the flow in the oven.
  • an additional measurement point by laser diode or any other fine system and with a suitable response time for measuring C0 2 and / or hydrocarbons can be placed in this zone (preferably at the end of the delubrification zone) in order to certify from the end of the delubrication mechanism. This will thus optimize the delubrication time and therefore the rate of the parts in the oven.
  • the present invention therefore relates to a method for carrying out a process for the thermal treatment of products in a continuous type oven, a process in which the product is introduced into the oven, then treated in the oven at a temperature T generally variable depending on the zone. considered from the oven, and under an atmosphere containing different species, at least some of which are measurable, the product then being extracted from the oven after a given treatment time, method comprising operations of measuring at least one of the parameters of the oven chosen from the set of parameters constituted by the temperature T and the species of the atmosphere whose presence is measurable, being characterized in that the content of the measurement in the heating zone and / or in the cooling zone of the oven
  • the method can also have one or more of the following characteristics: said measurement is carried out using a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, after having passed through the oven at least once, by means of receiving a laser beam, said laser beam passing through the oven at a distance from the product, when the measurement is made, which is between 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure at least one desired parameters by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • the preheating zone of the oven is also checked (preferably at the end of the preheating zone) by measuring the H 2 0 content as well as the temperature using a single measuring instrument.
  • said measurement is carried out in the preheating zone (preferably at the end of the preheating zone) using a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, 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 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the beam laser by the reception means making it possible to measure at least one of the parameters desired by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • At least one of the CO 2 and C x H y species is also checked in the preheating zone, using a laser beam system or any other suitable measurement system.
  • Said method is a sintering method, said oven being a sintering oven, and the preheating zone of the oven thus controlled is a delubrification zone. This control is then preferably carried out at the end of the preheating zone.
  • Said method is a galvanizing process, implementing a preheating zone, a heating zone, a cooling zone and a zone comprising a zinc-based bath in which the product to be galvanized, and the tube is also checked, one end of which plunges into the zinc bath and the other end of which is connected to the outlet of the cooling zone, by measuring the H 2 content therein 0 as well as the temperature using a single measuring instrument.
  • said measurement is carried out in the tube using a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, after having passed through the oven at least once, by means of laser beam reception, said laser beam passing through the oven at a distance from the product, when the measurement is carried out, which is between 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure the at least one of the parameters desired by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • the present invention also relates to an installation for heat treatment of products in a continuous type oven, treatment in which the product is introduced into the oven, then treated in the oven at a temperature T generally variable depending on the zone considered in the oven, and under an 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, comprising means for measuring at least one of the parameters of the oven chosen from among all of the parameters constituted by the temperature T and the species of the atmosphere whose presence is measurable, and which is characterized in that said measuring means comprise a single and same measuring instrument capable of measuring in the heating zone and / or in the cooling zone the H 2 O content as well as the temperature.
  • the installation according to the present invention may adopt one or more of the following technical characteristics: - Said single and same measuring instrument uses a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, after having passed through the oven at least once, by laser beam receiving means, said laser beam passing through the oven at a distance of the product, when the measurement is made, which is between 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure at least one of the parameters desired by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • the installation is a sintering installation comprising a preheating zone and it comprises measuring means comprising a single measuring instrument capable of measuring in the preheating zone of the furnace the H 2 0 content as well as the temperature, preferably at the end of the preheating zone.
  • Said single instrument for measuring the preheating zone uses a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, 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 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure the at least one of the parameters desired by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • It also includes means for measuring, in the preheating zone, at least one of the two species from C0 2 and C x H y , these means being based on a laser beam system or on any other system of suitable measure.
  • the installation is a galvanizing installation comprising a preheating zone, a heating zone, a cooling zone and a zone comprising a zinc-based bath in which the product to be galvanized can be immersed, as well as a horn, one end of which is immersed in the zinc bath and the other end of which is connected to the outlet of the cooling zone, and includes measuring means comprising a single measuring instrument capable of measuring the H 2 0 content as well as the temperature in the tube.
  • said means for measuring in the tube use a laser beam emitted by laser beam emitting means and picked up, after having passed through the oven at least once, by means of receiving laser beam, said laser beam passing through the oven at a distance of the product, when the measurement is made, which is between 1 mm and 15 cm, preferably between 2 and 6 cm, the reception of the laser beam by the reception means making it possible to measure at least one of the parameters desired by evaluation of the absorption of the laser by the species.
  • the measuring means therefore consists 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.
  • laser diode is understood to mean a measurement system consisting of a laser beam emitter preferably having a variable wavelength in a wavelength range typically ranging from 0.65 to 5 ⁇ m , preferably in the near IR of 0.65 to 2.5 ⁇ m, which includes at least one of the characteristic lengths absorbed by the species whose presence (and concentration after calibration of the device) and a receptor of this beam after it has passed through the medium to be analyzed and by means of comparison, for example of the amplitude of the laser beam received (intensity of the beam) and of the amplitude of the laser beam emitted over the entire range of wavelengths considered.
  • the laser diode is therefore adjusted to measure all the necessary information, for example the absorption of the H 2 0 species and 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 multiplexing, reference may be made to the patent application No. PCT / US / 00/28869, filed on November 1, 2000.
  • 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, j) the measurement can be carried out a few cm above the load without penetration of an instrument into the oven, which avoids, compared with the systems of the prior art:

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Abstract

La présente invention concerne une méthode de conduite d'un procédé de traitement thermique de produits dans un four de type continu, procédé dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon la zone considérée du 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, méthode comportant des opérations 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, se caractérisant en ce que l'on mesure dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en H2O ainsi que la température, par un seul et même instrument de mesure, préférentiellement un système à faisceau laser du type diode laser.

Description

Méthode de conduite et de contrôle de procédés de traitement thermique de produits dans des fours continus.
La présente invention concerne une méthode de conduite et de contrôle de procédés de traitement thermique de produits dans des fours continus.
Elle vise notamment à améliorer la qualité des produits traités thermiquement dans un four en optimisant et maîtrisant le flux, la température, la composition et le renouvellement de l'atmosphère mise en œuvre dans le four. Les fours visés par la présente invention dits « continus » ou « à chargement continu » ou encore « au défilé » sont par exemple les fours de galvanisation, recuit, brasage ou encore frittage, dans lesquels les propriétés mécaniques de pièces à traiter sont modifiées en présence d'une atmosphère gazeuse particulière à température variable, pour des produits semi-finis ou finis (bandes, tubes, fils, pièces diverses ).
Généralement, de tels fours continus comprennent plusieurs zones de traitement, avec notamment une zone de préchauffage (ou une zone de délubrification/déliantage dans le cas des procédés de frittage), une zone de traitement (par exemple de recuit qui permet de détendre les contraintes et de recristalliser le métal), une zone de refroidissement, et pour certaines lignes de traitement, une zone comprenant un bain à base de zinc dans lequel est plongé le produit métallique à galvaniser.
Généralement, les différentes zones sont reliées les unes aux autres et forment ainsi une gaine de circulation de l'atmosphère. Pour assurer ou pour conserver un bon état et de bonnes propriétés de surface des produits, il est indispensable de contrôler l'état de surface, en contrôlant notamment les phénomènes d'oxydation et de décarburation, par exemple dans les procédés de galvanisation afin notamment de faciliter l'adhérence de la couche de zinc à la bande métallique, ou encore lors d'un recuit afin de ne pas dégrader les propriétés mécaniques et l'aptitude aux traitements postérieurs de phosphatation ou de mise en peinture. Le bon état de surface recherché est obtenu en exposant la pièce à traiter à une atmosphère contrôlée, le plus souvent réductrice, typiquement à base d'azote et d'hydrogène. Le caractère réducteur de cette atmosphère est notamment lié à la température locale de l'atmosphère et à la valeur locale du rapport de compositions H2O/ H2.
En outre, la composition de l'atmosphère du four évolue dans le temps et en fonction de la surface de bande à traiter par unité de temps. En effet la réduction des oxydes à la surface de bande par l'hydrogène génère de la vapeur d'eau dont la pression partielle doit être contrôlée et limitée sous peine de perdre le caractère réducteur de l'atmosphère. On sait également que les entrées d'air parasite participent également à la production de vapeur d'eau dans le four.
Pour régénérer constamment cette atmosphère contrôlée dans le four, le mélange gazeux est injecté à plusieurs endroits du four. A titre d'exemple, pour la galvanisation, le mélange est injecté couramment en plusieurs points dans la zone de refroidissement mais aussi dans la trompe, dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie de la zone de refroidissement, de sorte que l'atmosphère réductrice circule en sens opposé au sens de défilement de la bande métallique à traiter.
Une des questions que la présente invention se propose d'améliorer est l'ajustement des débits et de la composition du mélange hydrogéné dans les différentes zones du four. Cet ajustement sera effectué pour répondre à deux attentes : - une attente de « qualité métallurgique » : on ajuste le caractère réducteur en maîtrisant la composition du flux et notamment le rapport H2O/H2, une attente de type « thermique » : le débit et la composition des mélanges hydrogénés influencent les transferts thermiques : par exemple, dans les zones de refroidissement, le débit et la composition du flux influencent fortement le gradient de refroidissement et donc la qualité métallurgique des pièces obtenues.
Les paramètres du procédé et notamment les niveaux de température et du point de rosée requis tout au long du traitement dépendent également des éléments interstitiels dans le métal qui peuvent ségréger aux interfaces et induire des propriétés mécaniques dégradées en cas de mauvais contrôle du procédé.
Un ajustement fin du contrôle du procédé devient alors nécessaire pour répondre à la demande toujours croissante de qualité des aciers finis ou semi-finis.
La Demanderesse a pu démontrer qu'il était possible de réaliser un tel ajustement -contrairement à ce que l'on trouve dans la pratique actuelle de cette industrie- par des points de mesure continus précis, juste au-dessus du niveau de la charge, bien choisis dans les différentes zones du four. Cet ajustement permettra d'optimiser le procédé en termes de cadence, qualité métallurgique et coût de l'atmosphère.
Dans la pratique actuelle de cette industrie, les informations de température du flux gazeux disponibles pour l'opérateur du four (ou d'ailleurs les logiciels de conduite de four commercialement disponibles) sont généralement des mesures délivrées par un ou plusieurs thermocouples situés dans le four. Ces thermocouples sont situés au niveau de la paroi du four et donc le plus souvent loin de la charge et ne sont pas représentatifs du flux thermique reçu par la charge. Cette mesure est de plus 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.
Les mesures de température de bandes sont généralement effectuées par pyrométrie infrarouge. La mesure est déduite de la luminance du pyromètre qui dépend de l'émissivité de la tôle et du flux réfléchi. Cette émissivité peut varier largement (typiquement de 0.35 à 0.9) en fonction de l'état d'oxydation de la tôle et peut donc fausser la mesure. Il faut recourir pour pallier ce défaut à de nombreux étalonnages. Par ailleurs les moyens d'analyse habituellement utilisés pour la mesure du point de rosée sont des moyens intrusifs, locaux et par prélèvement d'un échantillon gazeux ; hygromètres à miroir, capacitifs ou encore infrarouge. Les principaux inconvénients de l'hygromètre à miroir sont liés à la pollution rapide du miroir par des poussières ou des vapeurs métalliques comme la vapeur de zinc, ce qui demande un nettoyage fréquent, et sont liés à la lenteur des réponses : ils ne sont donc pas adaptés pour un cahier des charges de mesure en continu et instantanée. On sait que des problèmes de dérives sont observés sur les hygromètres capacitifs nécessitant donc un étalonnage fréquent.
Notons cependant que l'hygromètre infrarouge est lui adapté à la régulation d'atmosphère mais a un seuil de détection limité et qui demande un ré-étalonnage périodique. On vient d'illustrer le cas des mesures de vapeur d'eau, on sait que les autres espèces que l'on pourrait être amené à analyser dans un tel four continu sont par exemple 02, CH , CO, ou encore C02 selon les zones du four considérées. Comme précédemment, les analyseurs utilisés qui sont généralement dédiés à la mesure d'une seule espèce sont basés sur des méthodes intrusives, locales et par prélèvement d'échantillon. Ce prélèvement génère potentiellement une maintenance de la ligne de prélèvement, un temps de réponse correspondant au temps de circulation du gaz entre le procédé et l'analyseur et une pollution éventuelle de la mesure par la ligne où peuvent se produire des réactions chimiques entre les gaz aspirés dont la mesure ne sera alors plus représentative de l'état du four.
Toujours à titre illustratif, considérons l'exemple de l'industrie du frittage, où selon la pratique actuelle, on n'effectue pas réellement de contrôles, se contentant de façon relativement empirique d'allonger la zone de deliantage (délubrification) correspondant à la zone de préchauffage, pour avoir la certitude que le deliantage s'effectue complètement. Couramment aussi, l'homme du métier surestime empiriquement les débits de gaz pour avoir la certitude d'assurer un traitement sous atmosphère la moins polluée possible par l'étape de deliantage. Un contrôle de certaines espèces gazeuses selon la présente invention peut alors on le conçoit permettre de raccourcir le cycle et d'optimiser les flux gazeux. La présente invention vise à résoudre les problèmes ainsi posés et d'éviter les inconvénients de l'art antérieur.
Selon l'invention on contrôle, de manière continue, dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en H20 ainsi que la température, par un seul et même instrument de mesure. Cet instrument est selon le mode préféré de l'invention un système à diode laser. Ce système non intrusif permet de mesurer en temps réel la moyenne des concentrations d'espèces gazeuses sur la longueur du chemin optique du laser. La diode laser sera placée à proximité de la surface des produits, typiquement à une distance comprise entre 1mm et 15 cm, plus préférentiellement entre 2 cm et 6 cm.
On sait que c'est aux environs de la surface que les valeurs des pressions partielles en H2O, ainsi que la température interviennent dans les mécanismes réactionnels de surface, notamment d'oxydation. Ce contrôle au plus près de la surface permet également le développement -dans de meilleures conditions- d'outils prédictifs par la modélisation et la bonne mise en œuvre de la méthode proposée. En effet, la modélisation, validée par des moyens de mesure fiables comme la diode laser, permet d'optimiser et de calculer les débits et composition des mélanges gazeux nécessaires dans les différentes parties du four et par exemple en fonction de la quantité de charge qui passe par unité de temps dans le four. La localisation des points d'injection de gaz pourra être également optimisée grâce à la modélisation.
Les avantages de l'utilisation d'une diode laser, outre comme on l'a signalé plus haut des mesures précises en temps réel, non intrusives, moyennées sur la largeur du four, réside également dans la possibilité de faire du multiplexage. On peut ainsi disposer d'un unique système de diode laser, relié à plusieurs points de mesure. Ainsi, pour chaque four continu, on peut élaborer une stratégie de contrôle de four qui consistera à piloter et réguler le four grâce à des points de mesure choisis dans les différentes parties du four.
A titre illustratif, selon la pratique actuelle dans les fours de • galvanisation, les mélanges gazeux d'azote ou d'azote/hydrogène sont fixés et ne varient pas au cours du temps, quelles que soient les vitesses, les géométries et la métallurgie de la bande. Le choix de l'atmosphère gazeuse, pour une ligne qui change souvent de format du produit et de type de produit est effectué pour satisfaire le cas le plus défavorable, celui où la surface à traiter par unité de temps est maximale. Quelle que soit la surface à traiter et la vitesse de la charge, il est couramment nécessaire d'assurer un point de rosée aux environs de -20°C dans la zone de refroidissement (on trouve dans la littérature souvent le terme de « jet coolers ») et aux environs de - 40°C dans la trompe, et d'assurer également une température de la bande aux environs de 400 à 500°C à l'entrée du bain de zinc. Ainsi, par ces pratiques actuelles, le procédé n'est pas optimisé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la diode, placée dans la zone de refroidissement et dans la trompe permet d'acquérir le point de rosée et la température au voisinage de la surface. Le point de rosée et la température peuvent être régulés en modifiant débits et/ou composition du mélange hydrogène-azote utilisé afin d'une part d'éviter toute réoxydation de la charge dans la zone de refroidissement et d'autre part de réduire les oxydes présents à la surface de la charge à l'entrée de la zone de recuit (oxydes généralement formés dans la zone de préchauffe). Ces débits et compositions varient préférentiellement en fonction de la quantité de surface de la charge qui passe par unité de temps. Une mesure du point de rosée dans les zones de recuit et de préchauffage pourra avantageusement être également effectuée à l'aide de la même diode afin de pouvoir détecter toute entrée d'air ou trace de vapeur d'eau formée par réaction de l'hydrogène avec une quantité anormale d'oxydes. Pour des fours de frittage, dans la zone de délubrification, la vapeur d'eau mesurée par la diode laser permet d'accélérer le phénomène de délubrification (oxydation des huiles résiduelles des pièces issues de la presse ) puisqu'on l'a vu précédemment, selon la pratique actuelle, on se contente de façon relativement empirique d'allonger la zone de préchauffage pour avoir la certitude que le deliantage s'effectue complètement. Et par ailleurs une bonne connaissance de la température au voisinage des pièces est également un bon indicateur de l'évolution du deliantage. La vapeur d'eau mesurée en temps réel peut également servir d'indicateur pour réguler la valeur totale du flux dans le four.
Avantageusement, un point de mesure supplémentaire par diode laser ou tout autre système fin et à temps de réponse adapté de mesure du C02 et/ou des hydrocarbures peut être placée dans cette zone (préférentiellement en fin de zone de délubrification) afin d'attester de la fin du mécanisme de délubrification. Cela permettra d'optimiser ainsi le temps de délubrification et donc la cadence des pièces dans le four.
La présente invention concerne donc une méthode de conduite d'un procédé de traitement thermique de produits dans un four de type continu, procédé dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon la zone considérée du 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, méthode comportant des opérations 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, se caractérisant en ce que l'on mesure dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en
H20 ainsi que la température, par un seul et même instrument de mesure.
Le procédé peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on effectue ladite mesure 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
- on contrôle également la zone de préchauffe du four (préférentiellement en fin de zone de préchauffe) par une mesure de la teneur en H20 ainsi que la température à l'aide d'un seul et même instrument de mesure.
- on effectue ladite mesure dans la zone de préchauffe (préférentiellement en fin de zone de préchauffe) 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
- on contrôle dans la zone de préchauffe également au moins l'une des deux espèces parmi CO2 et CxHy , à l'aide d'un système à faisceau laser ou de tout autre système de mesure adapté. - ledit procédé est un procédé de frittage, ledit four étant un four de frittage, et la zone de préchauffe du four ainsi contrôlée est une zone de délubrification. On procède alors préférentiellement à ce contrôle en fin de la zone de préchauffe.
- ledit procédé est un procédé de galvanisation, mettant en œuvre une zone de préchauffe, une zone de chauffe, une zone de refroidissement et une zone comprenant un bain à base de zinc dans lequel est plongé le produit à galvaniser, et l'on contrôle également la trompe, dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie de la zone de refroidissement, en y effectuant une mesure de la teneur en H20 ainsi que la température à l'aide d'un seul et même instrument de mesure.
- on effectue ladite mesure dans la trompe 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
- on effectue l'ensemble desdites mesures en mode « multiplexage » par le fait que l'on dispose d'un unique système source de laser relié à plusieurs points de mesure dans le four.
La présente invention concerne également une installation de traitement thermique de produits dans un four de type continu, traitement dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon la zone considérée du 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, 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, et se caractérisant en ce que lesdits moyens de mesure comportent un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en H2O ainsi que la température. L'installation selon la présente invention pourra adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - ledit seul et même instrument de mesure utilise 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
- l'installation est une installation de frittage comprenant une zone de préchauffe et elle comprend des moyens de mesure comportant un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la zone de préchauffe du four la teneur en H20 ainsi que la température, préférentiellement en fin de zone de préchauffe.
- ledit seul et même instrument de mesure de la zone de préchauffe utilise 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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 comprend également des moyens de mesure, dans la zone de préchauffe, d'au moins l'une des deux espèces parmi C02 et CxHy, ces moyens étant basés sur un système à faisceau laser ou sur tout autre système de mesure adapté.
- l'installation est une installation de galvanisation comprenant une zone de préchauffe, une zone de chauffe, une zone de refroidissement et une zone comprenant un bain à base de zinc dans lequel dans lequel peut être plongé le produit à galvaniser, ainsi qu'une trompe, dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie de la zone de refroidissement, et elle comprend des moyens de mesure comportant un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la trompe la teneur en H20 ainsi que la température.
- lesdits moyens de mesure dans la trompe utilisent 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
Selon le mode préféré de l'invention, le moyen de mesure est donc 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 système 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 allant typiquement de 0.65 à 5 μm, préférentiellement dans le proche IR de 0.65 à 2.5 μm, 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. Selon l'invention, la diode laser est donc réglée pour mesurer toutes les informations nécessaires, par exemple l'absorption de l'espèce H20 et 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 en multiplexage d'une diode laser, on pourra se reporter à la demande de brevet N°PCT/US/00/28869, déposée le 1 er novembre 2000.
Comme on l'a vu précédemment, selon un des modes de réalisation envisageable de l'invention, on utilise plusieurs diodes mesurant chacune une ou plusieurs espèces parmi les informations nécessaires. 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 on l'aura compris de nombreux avantages : i) 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, j) 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de conduite d'un procédé de traitement thermique de produits dans un four de type continu, procédé dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon la zone considérée du 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, méthode comportant des opérations 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, caractérisée en ce que l'on mesure dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en H2O ainsi que la température, par un seul et même instrument de mesure.
2. Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'on effectue ladite mesure 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'on contrôle également la zone de préchauffe du four par une mesure de la teneur en H20 ainsi que de la température à l'aide d'un seul et même instrument de mesure.
4. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'on effectue ladite mesure dans la zone de préchauffe 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
5. Méthode selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que l'on contrôle dans la zone de préchauffe également au moins l'une des deux espèces parmi C02 et CxHy, à l'aide d'un système à faisceau laser ou de tout autre système de mesure adapté.
6. Méthode selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que ledit procédé est un procédé de frittage, ledit four étant un four de frittage, et en ce que la zone de préchauffe du four ainsi contrôlée est une zone de délubrification.
7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que ledit procédé est un procédé de galvanisation, mettant en œuvre une zone de préchauffe, une zone de chauffe, une zone de refroidissement et une zone comprenant un bain à base de zinc dans lequel est plongé le produit à galvaniser, et en ce que l'on contrôle également la trompe, dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie de la zone de refroidissement, en y effectuant une mesure de la teneur en H20 ainsi que de la température à l'aide d'un seul et même instrument de mesure.
8. Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'on effectue ladite mesure dans la trompe 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
9. Méthode selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'on effectue l'ensemble desdites mesures en mode « multiplexage » par le fait que l'on dispose d'un unique système source de laser relié à plusieurs points de mesure dans le four.
10. Installation de traitement thermique de produits dans un four de type continu, traitement dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon la zone considérée du 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, 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, caractérisée en ce que lesdits moyens de mesure comportent un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la zone de chauffe et/ou dans la zone de refroidissement du four la teneur en H20 ainsi que la température.
11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit seul et même instrument de mesure utilise 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
12. Installation selon la revendication 10 ou 11 , caractérisée en ce que l'installation est une installation de frittage comprenant une zone de préchauffe et en ce qu'elle comprend des moyens de mesure comportant un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la zone de préchauffe du four la teneur en H20 ainsi que la température.
13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que ledit seul et même instrument de mesure de la zone de préchauffe utilise 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
14. Installation selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle comprend également des moyens de mesure, dans la zone de préchauffe, d'au moins l'une des deux espèces parmi C02 et CxHy, ces moyens étant basés sur un système à faisceau laser ou sur tout autre système de mesure adapté.
15. Installation selon la revendication 10 ou 11 , caractérisée en ce que l'installation est une installation de galvanisation comprenant une zone de préchauffe, une zone de chauffe, une zone de refroidissement et une zone comprenant un bain à base de zinc dans lequel dans lequel peut être plongé le produit à galvaniser, ainsi qu'une trompe, dont une extrémité plonge dans le bain de zinc et dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie de la zone de refroidissement, et en ce qu'elle comprend des moyens de mesure comportant un seul et même instrument de mesure apte à mesurer dans la trompe la teneur en H2O ainsi que la température.
16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que lesdits moyens de mesure dans la trompe utilisent 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 15 cm, de préférence entre 2 et 6 cm, 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.
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